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JP6987015B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description

本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.

特開2009−141067号公報(特許文献1)は、活性領域と、活性領域を囲む周辺領域とを含む半導体装置を開示している。活性領域には、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)のような半導体素子が形成されている。周辺領域には、半導体素子の耐圧を確保するために、ガードリングが形成されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-141067 (Patent Document 1) discloses a semiconductor device including an active region and a peripheral region surrounding the active region. A semiconductor element such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is formed in the active region. A guard ring is formed in the peripheral region in order to secure the withstand voltage of the semiconductor element.

特開2009−141067号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-141067

本発明の目的は、半導体装置の短絡耐量を向上させることである。 An object of the present invention is to improve the short circuit tolerance of a semiconductor device.

本発明の半導体装置は、半導体基板を備える。半導体基板は、活性領域と、活性領域を取り囲む外周領域とを含む。半導体基板は、おもて面と裏面とを有している。半導体素子は、n-ドリフト領域と、p+コレクタ層とを含む。外周領域は、n-ドリフト領域と、p+裏面外周層とを含む。p+裏面外周層は、n-ドリフト領域の裏面の側に設けられている。p+裏面外周層における第1の正孔濃度は、p+コレクタ層における第2の正孔濃度よりも大きい。 The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate. The semiconductor substrate includes an active region and an outer peripheral region surrounding the active region. The semiconductor substrate has a front surface and a back surface. The semiconductor device includes an n - drift region and a p + collector layer. The outer peripheral region includes an n - drift region and a p + back surface outer peripheral layer. The p + back surface outer layer is provided on the back surface side of the n-drift region. The first hole concentration in the p + back surface peripheral layer is higher than the second hole concentration in the p + collector layer.

負荷短絡時において、正孔は、p+コレクタ層だけでなくp+裏面外周層からも、n-ドリフト領域に注入される。n-ドリフト領域とp+コレクタ層とによって形成されるpn接合部における裏面電界強度は減少する。本発明の半導体装置は、短絡耐量を向上させることができる。 At the time of load short circuit, holes are injected into the n- drift region not only from the p + collector layer but also from the p + back surface outer peripheral layer. The backside electric field strength at the pn junction formed by the n - drift region and the p + collector layer is reduced. The semiconductor device of the present invention can improve the short circuit tolerance.

実施の形態1に係る半導体装置の概略部分拡大断面図である。It is a schematic partial enlarged sectional view of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1及び実施の形態3に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す概略部分拡大断面図である。It is a schematic partial enlarged sectional view which shows one step of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 and Embodiment 3. 実施の形態1及び実施の形態3に係る半導体装置の製造方法における、図2に示す工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。It is a schematic partial enlarged sectional view which shows the next process of the process shown in FIG. 2 in the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 and Embodiment 3. 実施の形態1及び実施の形態3に係る半導体装置の製造方法における、図3に示す工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。It is a schematic partial enlarged sectional view which shows the next process of the process shown in FIG. 3 in the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 and Embodiment 3. 実施の形態1及び実施の形態3に係る半導体装置の製造方法における、図4に示す工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。It is a schematic partial enlarged sectional view which shows the next process of the process shown in FIG. 4 in the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 and Embodiment 3. 実施の形態2に係る半導体装置の概略部分拡大断面図である。It is a schematic partial enlarged sectional view of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施の形態3に係る半導体装置の概略部分拡大断面図である。It is a schematic partial enlarged sectional view of the semiconductor device which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施の形態3に係る半導体装置の製造方法における、図5に示す工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。It is a schematic partial enlarged sectional view which shows the next process of the process shown in FIG. 5 in the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施の形態4に係る半導体装置の概略部分拡大断面図である。It is a schematic partial enlarged sectional view of the semiconductor device which concerns on Embodiment 4. FIG.

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The same reference number is assigned to the same configuration, and the description thereof will not be repeated.

実施の形態1.
図1を参照して、実施の形態1に係る半導体装置1を説明する。半導体装置1は、半導体基板2と、第1の電極20と、第2の電極30とを主に備える。
Embodiment 1.
The semiconductor device 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. The semiconductor device 1 mainly includes a semiconductor substrate 2, a first electrode 20, and a second electrode 30.

半導体基板2は、例えば、シリコン基板または炭化珪素基板である。半導体基板2は、おもて面2aと、おもて面2aに対向する裏面2bとを有している。半導体基板2は、半導体素子3が設けられている活性領域6と、活性領域6を取り囲む外周領域7とを含む。半導体素子3は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)である。 The semiconductor substrate 2 is, for example, a silicon substrate or a silicon carbide substrate. The semiconductor substrate 2 has a front surface 2a and a back surface 2b facing the front surface 2a. The semiconductor substrate 2 includes an active region 6 in which the semiconductor element 3 is provided, and an outer peripheral region 7 surrounding the active region 6. The semiconductor element 3 is, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT).

半導体素子3は、n-ドリフト領域5と、pベース領域10と、n+型エミッタ領域14と、ゲート絶縁膜17と、ゲート電極18と、p+コレクタ層25と、第1の電極20と、第2の電極30とを含む。半導体素子3は、nバッファ層24と、p+コンタクト層15とをさらに含む。半導体素子3は、n+電荷蓄積層11をさらに含む。 The semiconductor element 3 includes an n - drift region 5, a p-base region 10, an n + type emitter region 14, a gate insulating film 17, a gate electrode 18, a p + collector layer 25, and a first electrode 20. , The second electrode 30 and the like. The semiconductor device 3 further includes an n-buffer layer 24 and a p + contact layer 15. The semiconductor device 3 further includes an n + charge storage layer 11.

pベース領域10は、n-ドリフト領域5に対しておもて面2a側に設けられている。pベース領域10は、おもて面2aから第1深さにわたって形成されている。n+電荷蓄積層11は、n-ドリフト領域5とpベース領域10との間に形成されている。n+電荷蓄積層11のn型キャリア(電子)濃度は、n-ドリフト領域5のn型キャリア濃度よりも大きい。 The p-base region 10 is provided on the front surface 2a side with respect to the n-drift region 5. The p-base region 10 is formed from the front surface 2a to the first depth. The n + charge storage layer 11 is formed between the n- drift region 5 and the p-base region 10. n-type carriers (electrons) concentration of n + charge storage layer 11, n - larger than the n-type carrier concentration of the drift region 5.

+型エミッタ領域14は、pベース領域10の一部に形成されている。特定的には、n+型エミッタ領域14は、おもて面2aから第2深さにわたって形成されている。第2深さは、第1深さよりも小さい。n+型エミッタ領域14は、おもて面2aの一部に形成されている。p+コンタクト層15のp型キャリア(正孔)濃度は、pベース領域10のp型キャリア濃度よりも高い。p+コンタクト層15は、n+型エミッタ領域14が形成されていないおもて面2aの一部に形成されている。 The n + type emitter region 14 is formed in a part of the p-base region 10. Specifically, the n + type emitter region 14 is formed from the front surface 2a to a second depth. The second depth is smaller than the first depth. The n + type emitter region 14 is formed in a part of the front surface 2a. The p-type carrier (hole) concentration of the p + contact layer 15 is higher than the p-type carrier concentration of the p-base region 10. The p + contact layer 15 is formed on a part of the front surface 2a on which the n + type emitter region 14 is not formed.

ゲート絶縁膜17は、n+型エミッタ領域14とn-ドリフト領域5とに挟まれるpベース領域10の部分12上に設けられている。半導体素子3のオン動作時に、pベース領域10の部分12にチャネルが形成される。特定的には、ゲート絶縁膜17は、n+型エミッタ領域14、pベース領域10及びn+電荷蓄積層11を貫いてn-ドリフト領域5に達するトレンチ16の側壁と底面との上に形成されている。ゲート絶縁膜17は、例えば、SiO2膜である。 The gate insulating film 17 is provided on the portion 12 of the p-base region 10 sandwiched between the n + type emitter region 14 and the n -drift region 5. When the semiconductor device 3 is turned on, a channel is formed in the portion 12 of the p-base region 10. Specifically, the gate insulating film 17 is formed on the side wall and the bottom surface of the trench 16 that penetrates the n + type emitter region 14, the p-base region 10 and the n + charge storage layer 11 and reaches the n-drift region 5. Has been done. The gate insulating film 17 is, for example, a SiO 2 film.

ゲート電極18は、ゲート絶縁膜17を挟んでpベース領域10の部分12に対向している。一例として、ゲート電極18は、トレンチゲート電極であり、かつ、半導体素子3は、トレンチゲート型IGBTである。ゲート電極18は、トレンチ16内にゲート絶縁膜17を介して設けられている。 The gate electrode 18 faces the portion 12 of the p-base region 10 with the gate insulating film 17 interposed therebetween. As an example, the gate electrode 18 is a trench gate electrode, and the semiconductor element 3 is a trench gate type IGBT. The gate electrode 18 is provided in the trench 16 via the gate insulating film 17.

nバッファ層24は、n-ドリフト領域5に対して裏面2b側に設けられている。nバッファ層24は、活性領域6において、n-ドリフト領域5とp+コレクタ層25とに接している。nバッファ層24における第1のn型キャリア濃度は、n-ドリフト領域5における第2のn型キャリア濃度よりも大きい。nバッファ層24は、n型ドーパントを含んでいる。n型ドーパントは、例えば、リンまたはヒ素である。nバッファ層24の厚さは、n-ドリフト領域5の厚さよりも小さい。一例では、nバッファ層24の厚さは、n-ドリフト領域5の厚さの0.5倍以下である。別の例では、nバッファ層24の厚さは、n-ドリフト領域5の厚さの0.3倍以下である。さらに別の例では、nバッファ層24の厚さは、n-ドリフト領域5の厚さの0.1倍以下である。nバッファ層24の厚さは、例えば、0.1μm以上である。 The n-buffer layer 24 is provided on the back surface 2b side with respect to the n-drift region 5. The n-buffer layer 24 is in contact with the n - drift region 5 and the p + collector layer 25 in the active region 6. The first n-type carrier concentration in the n-buffer layer 24 is higher than the second n-type carrier concentration in the n-drift region 5. The n-buffer layer 24 contains an n-type dopant. The n-type dopant is, for example, phosphorus or arsenic. The thickness of the n-buffer layer 24 is smaller than the thickness of the n-drift region 5. In one example, the thickness of the n-buffer layer 24 is 0.5 times or less the thickness of the n-drift region 5. In another example, the thickness of the n-buffer layer 24 is 0.3 times or less the thickness of the n-drift region 5. In yet another example, the thickness of the n-buffer layer 24 is less than or equal to 0.1 times the thickness of the n-drift region 5. The thickness of the n-buffer layer 24 is, for example, 0.1 μm or more.

+コレクタ層25は、半導体基板2の裏面2bに設けられている。p+コレクタ層25は、n-ドリフト領域5に対して裏面2b側に設けられている。p+コレクタ層25は、nバッファ層24に接している。p+コレクタ層25は、ボロンのようなp型ドーパントを含む。p+コレクタ層25のp型キャリア(正孔)濃度は、pベース領域10のp型キャリア濃度よりも大きい。p+コレクタ層25の厚さは、例えば、0.1μm以上である。p+コレクタ層25の厚さは、例えば、10μm以下である。 The p + collector layer 25 is provided on the back surface 2b of the semiconductor substrate 2. The p + collector layer 25 is provided on the back surface 2b side with respect to the n-drift region 5. The p + collector layer 25 is in contact with the n-buffer layer 24. The p + collector layer 25 contains a p-type dopant such as boron. The p-type carrier (hole) concentration of the p + collector layer 25 is higher than the p-type carrier concentration of the p-base region 10. The thickness of the p + collector layer 25 is, for example, 0.1 μm or more. The thickness of the p + collector layer 25 is, for example, 10 μm or less.

半導体素子3は、第1の電極20と第2の電極30とをさらに含む。第1の電極20は、おもて面2aにおけるn+型エミッタ領域14上に形成されている。第1の電極20は、おもて面2aにおけるp+コンタクト層15上にも形成されている。第1の電極20は、n+型エミッタ領域14とp+コンタクト層15とに接している。第1の電極20は、エミッタ電極として機能する。第1の電極20は、p+コンタクト層15を介してpベース領域10に電気的に接続されている。第1の電極20は、層間絶縁膜19によって、ゲート電極18から電気的に絶縁されている。第2の電極30は、活性領域6において、p+コレクタ層25上に形成されている。第2の電極30は、p+コレクタ層25に接している。第2の電極30は、コレクタ電極として機能する。 The semiconductor device 3 further includes a first electrode 20 and a second electrode 30. The first electrode 20 is formed on the n + type emitter region 14 on the front surface 2a. The first electrode 20 is also formed on the p + contact layer 15 on the front surface 2a. The first electrode 20 is in contact with the n + type emitter region 14 and the p + contact layer 15. The first electrode 20 functions as an emitter electrode. The first electrode 20 is electrically connected to the p base region 10 via the p + contact layer 15. The first electrode 20 is electrically insulated from the gate electrode 18 by the interlayer insulating film 19. The second electrode 30 is formed on the p + collector layer 25 in the active region 6. The second electrode 30 is in contact with the p + collector layer 25. The second electrode 30 functions as a collector electrode.

外周領域7は、n-ドリフト領域5と、p+裏面外周層26とを含む。n-ドリフト領域5及び第2の電極30は、活性領域6から外周領域7にも延在している。外周領域7は、nバッファ層24を含む。nバッファ層24は、活性領域6から外周領域7にも延在している。外周領域7には、pベース領域10、n+型エミッタ領域14、n+電荷蓄積層11は形成されていない。第2の電極30は、外周領域7において、p+裏面外周層26上に形成されている。 The outer peripheral region 7 includes an n - drift region 5 and a p + back surface outer peripheral layer 26. The n - drift region 5 and the second electrode 30 extend from the active region 6 to the outer peripheral region 7. The outer peripheral region 7 includes the n-buffer layer 24. The n-buffer layer 24 extends from the active region 6 to the outer peripheral region 7. The p-base region 10, the n + type emitter region 14, and the n + charge storage layer 11 are not formed in the outer peripheral region 7. The second electrode 30 is formed on the p + back surface outer peripheral layer 26 in the outer peripheral region 7.

+裏面外周層26は、n-ドリフト領域5の裏面2bの側に設けられている。p+裏面外周層26は、n-ドリフト領域5と第2の電極30との間に形成されている。p+裏面外周層26は、nバッファ層24に接している。p+裏面外周層26は、第2の電極30に接している。p+裏面外周層26は、半導体基板2の裏面2bに形成されている。p+裏面外周層26は、p+コレクタ層25に接している。例えば、p+裏面外周層26の厚さは、0.1μm以上10μm以下である。 The p + back surface outer peripheral layer 26 is provided on the back surface 2b side of the n-drift region 5. The p + back surface outer peripheral layer 26 is formed between the n- drift region 5 and the second electrode 30. The p + back surface outer peripheral layer 26 is in contact with the n-buffer layer 24. The p + back surface outer peripheral layer 26 is in contact with the second electrode 30. The p + back surface outer peripheral layer 26 is formed on the back surface 2b of the semiconductor substrate 2. The p + back surface outer peripheral layer 26 is in contact with the p + collector layer 25. For example, the thickness of the p + back surface outer peripheral layer 26 is 0.1 μm or more and 10 μm or less.

+裏面外周層26における第1のp型キャリア濃度は、p+コレクタ層25における第2のp型キャリア濃度よりも大きい。一例では、p+裏面外周層26における第1のp型キャリア濃度は、p+コレクタ層25における第2のp型キャリア濃度の2倍以上である。別の例では、p+裏面外周層26における第1のp型キャリア濃度は、p+コレクタ層25における第2のp型キャリア濃度の5倍以上である。さらに別の例では、p+裏面外周層26における第1のp型キャリア濃度は、p+コレクタ層25における第2のp型キャリア濃度の10倍以上である。一例では、半導体基板2の裏面2bの平面視において、p+裏面外周層26は、活性領域6を囲むように形成されている。別の例では、半導体基板2の裏面2bの平面視において、p+裏面外周層26は、活性領域6を囲まずに外周領域7の一部だけに形成されている。 The first p-type carrier concentration in the p + back surface outer peripheral layer 26 is higher than the second p-type carrier concentration in the p + collector layer 25. In one example, the first p-type carrier concentration in the p + back surface peripheral layer 26 is more than twice the second p-type carrier concentration in the p + collector layer 25. In another example, the first p-type carrier concentration in the p + back surface peripheral layer 26 is more than five times the second p-type carrier concentration in the p + collector layer 25. In yet another example, the first p-type carrier concentration in the p + back surface peripheral layer 26 is more than 10 times the second p-type carrier concentration in the p + collector layer 25. In one example, in a plan view of the back surface 2b of the semiconductor substrate 2, the p + back surface outer peripheral layer 26 is formed so as to surround the active region 6. In another example, in the plan view of the back surface 2b of the semiconductor substrate 2, the p + back surface outer peripheral layer 26 is formed only in a part of the outer peripheral region 7 without surrounding the active region 6.

外周領域7は、半導体基板2のおもて面2aに、電界制限リング構造(FLR構造)21を含む。半導体基板2のおもて面2aの平面視において、電界制限リング構造21は、活性領域6を囲んでいる。電界制限リング構造21は、p型領域である。電界制限リング構造21は、外周領域7における電界集中を緩和して、半導体装置1の耐圧を向上させる。電界制限リング構造21は、第1の電極20と離間されており、第1の電極20から電気的に絶縁されている。 The outer peripheral region 7 includes an electric field limiting ring structure (FLR structure) 21 on the front surface 2a of the semiconductor substrate 2. In the plan view of the front surface 2a of the semiconductor substrate 2, the electric field limiting ring structure 21 surrounds the active region 6. The electric field limiting ring structure 21 is a p-type region. The electric field limiting ring structure 21 relaxes the electric field concentration in the outer peripheral region 7 and improves the withstand voltage of the semiconductor device 1. The electric field limiting ring structure 21 is separated from the first electrode 20 and is electrically isolated from the first electrode 20.

図1から図5を参照して、実施の形態1に係る半導体装置1の製造方法の一例を説明する。 An example of the manufacturing method of the semiconductor device 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5.

図2に示されるように、本実施の形態の半導体装置1の製造方法は、半導体素子3の構成の一部がそのおもて面2a側に形成された半導体基板2を準備することを備える。具体的には、公知の方法により、半導体基板2(n-ドリフト領域5)の活性領域6のおもて面2a側に、pベース領域10と、n+型エミッタ領域14と、p+コンタクト層15と、n+電荷蓄積層11と、ゲート絶縁膜17と、ゲート電極18とが形成される。公知の方法により、半導体基板2(n-ドリフト領域5)の外周領域7のおもて面2a側に、電界制限リング構造21が形成される。半導体基板2の活性領域6のおもて面2a上に、層間絶縁膜19と第1の電極20とが形成される。第1の電極20は、電界制限リング構造21と離間されており、電界制限リング構造21と電気的に絶縁されている。第1の電極20は、n+型エミッタ領域14とp+コンタクト層15とに導通している。 As shown in FIG. 2, the manufacturing method of the semiconductor device 1 of the present embodiment includes preparing a semiconductor substrate 2 in which a part of the configuration of the semiconductor element 3 is formed on the front surface 2a side thereof. .. Specifically, by a known method, the p-base region 10, the n + type emitter region 14, and the p + contact are on the front surface 2a side of the active region 6 of the semiconductor substrate 2 (n -drift region 5). A layer 15, an n + charge storage layer 11, a gate insulating film 17, and a gate electrode 18 are formed. By a known method, the electric field limiting ring structure 21 is formed on the front surface 2a side of the outer peripheral region 7 of the semiconductor substrate 2 (n -drift region 5). The interlayer insulating film 19 and the first electrode 20 are formed on the front surface 2a of the active region 6 of the semiconductor substrate 2. The first electrode 20 is separated from the electric field limiting ring structure 21 and is electrically isolated from the electric field limiting ring structure 21. The first electrode 20 is conductive to the n + type emitter region 14 and the p + contact layer 15.

半導体基板2の裏面2bを加工することによって、半導体基板2(n-ドリフト領域5)が薄くされる。一例では、半導体基板2(n-ドリフト領域5)の裏面2bは、グラインダーを用いて研削される。別の例では、半導体基板2(n-ドリフト領域5)の裏面2bは、ウェットエッチングされる。半導体基板2(n-ドリフト領域5)は、特に限定されないが、3μm以上800μm以下の厚さまで薄くされる。 By processing the back surface 2b of the semiconductor substrate 2, the semiconductor substrate 2 (n - drift region 5) is thinned. In one example, the back surface 2b of the semiconductor substrate 2 (n - drift region 5) is ground using a grinder. In another example, the back surface 2b of the semiconductor substrate 2 (n - drift region 5) is wet-etched. The semiconductor substrate 2 (n - drift region 5) is not particularly limited, but is thinned to a thickness of 3 μm or more and 800 μm or less.

図3に示されるように、本実施の形態の半導体装置1の製造方法は、裏面2bからn型ドーパントをドープすることによって、裏面2bにnバッファ層24を形成することを備える。nバッファ層24は、n-ドリフト領域5に接しており、かつ、n-ドリフト領域5に対して裏面2b側に設けられている。nバッファ層24は、活性領域6と外周領域7とに形成される。n型ドーパントは、例えば、リンまたはヒ素である。n型ドーパントを活性化するために、nバッファ層24はアニールされる。 As shown in FIG. 3, the manufacturing method of the semiconductor device 1 of the present embodiment includes forming the n-buffer layer 24 on the back surface 2b by doping the back surface 2b with an n-type dopant. The n-buffer layer 24 is in contact with the n - drift region 5 and is provided on the back surface 2b side with respect to the n-drift region 5. The n-buffer layer 24 is formed in the active region 6 and the outer peripheral region 7. The n-type dopant is, for example, phosphorus or arsenic. The n-buffer layer 24 is annealed to activate the n-type dopant.

図4に示されるように、本実施の形態の半導体装置1の製造方法は、裏面2bからp型ドーパントをドープすることによって、半導体基板2の活性領域6の裏面2bにp+コレクタ層25を形成することを備える。p+コレクタ層25は、半導体基板2の外周領域7の裏面2bにも形成される。p+コレクタ層25は、nバッファ層24に接している。p型ドーパントは、例えば、ボロンである。 As shown in FIG. 4, in the manufacturing method of the semiconductor device 1 of the present embodiment, the p + collector layer 25 is formed on the back surface 2b of the active region 6 of the semiconductor substrate 2 by doping the back surface 2b with a p-type dopant. Prepare to form. The p + collector layer 25 is also formed on the back surface 2b of the outer peripheral region 7 of the semiconductor substrate 2. The p + collector layer 25 is in contact with the n-buffer layer 24. The p-type dopant is, for example, boron.

図5に示されるように、本実施の形態の半導体装置1の製造方法は、外周領域7の裏面2bに選択的にp型ドーパントをドープすることによって、半導体基板2の外周領域7の裏面2bにp+裏面外周層26を形成することを備える。具体的には、半導体基板2の活性領域6の裏面2bにマスク35が形成される。イオン注入装置を用いて、ボロンのようなp型ドーパントが、外周領域7の裏面2bに選択的に注入される。p+裏面外周層26は、nバッファ層24に接している。p+裏面外周層26は、p+コレクタ層25に接している。p+裏面外周層26は、半導体基板2の裏面2bに形成されている。p+裏面外周層26における第1のp型キャリア濃度は、p+コレクタ層25における第2のp型キャリア濃度よりも大きい。p+コレクタ層25及びp+裏面外周層26に含まれるp型ドーパントを活性化するために、p+コレクタ層25及びp+裏面外周層26がアニールされる。 As shown in FIG. 5, in the manufacturing method of the semiconductor device 1 of the present embodiment, the back surface 2b of the outer peripheral region 7 of the semiconductor substrate 2 is selectively doped with the p-type dopant on the back surface 2b of the outer peripheral region 7. It is provided with forming a p + back surface outer peripheral layer 26. Specifically, the mask 35 is formed on the back surface 2b of the active region 6 of the semiconductor substrate 2. A p-type dopant such as boron is selectively implanted into the back surface 2b of the outer peripheral region 7 using an ion implanter. The p + back surface outer peripheral layer 26 is in contact with the n-buffer layer 24. The p + back surface outer peripheral layer 26 is in contact with the p + collector layer 25. The p + back surface outer peripheral layer 26 is formed on the back surface 2b of the semiconductor substrate 2. The first p-type carrier concentration in the p + back surface outer peripheral layer 26 is higher than the second p-type carrier concentration in the p + collector layer 25. The p + collector layer 25 and the p + back surface outer peripheral layer 26 are annealed in order to activate the p-type dopant contained in the p + collector layer 25 and the p + back surface outer peripheral layer 26.

本実施の形態の半導体装置1の製造方法は、p+コレクタ層25とp+裏面外周層26との上に第2の電極30を形成することを備える。第2の電極30は、例えば、Al/Ti/Ni/Auの積層膜、または、AlSi/Ti/Ni/Auの積層膜である。第2の電極30をp+コレクタ層25とp+裏面外周層26とにオーミック接触させるために、第2の電極30とp+コレクタ層25とp+裏面外周層26とはアニールされる。こうして、図1に示される本実施の形態の半導体装置1が得られる。 The manufacturing method of the semiconductor device 1 of the present embodiment includes forming a second electrode 30 on the p + collector layer 25 and the p + back surface outer peripheral layer 26. The second electrode 30 is, for example, an Al / Ti / Ni / Au laminated film or an AlSi / Ti / Ni / Au laminated film. To ohmic contact with the second electrode 30 on the p + collector layer 25 and the p + back surface outer peripheral layer 26, and the second electrode 30 and the p + collector layer 25 and the p + back surface outer peripheral layer 26 is annealed. In this way, the semiconductor device 1 of the present embodiment shown in FIG. 1 is obtained.

本実施の形態の半導体装置1の動作及び作用を、比較例の半導体装置と対比しながら、説明する。比較例の半導体装置は、本実施の形態の半導体装置1と同様の構成を備えているが、p+裏面外周層26が形成されていない点で、本実施の形態の半導体装置1と異なる。 The operation and operation of the semiconductor device 1 of the present embodiment will be described while comparing with the semiconductor device of the comparative example. The semiconductor device of the comparative example has the same configuration as the semiconductor device 1 of the present embodiment, but is different from the semiconductor device 1 of the present embodiment in that the p + back surface outer peripheral layer 26 is not formed.

半導体装置(本実施の形態の半導体装置1、比較例の半導体装置)のターンオン過程の後期とターンオフ過程の初期とスイッチングオン状態とでは、第1の電極20と第2の電極30との間に相対的に低い電圧が印加されている。本明細書において、半導体装置のターンオン過程は、半導体装置がオフ状態からオン状態に遷移する過程を意味する。半導体装置のターンオフ過程は、半導体装置がオン状態からオフ状態に遷移する過程を意味する。 In the latter half of the turn-on process of the semiconductor device (semiconductor device 1 of the present embodiment, the semiconductor device of the comparative example), the initial stage of the turn-off process, and the switching-on state, between the first electrode 20 and the second electrode 30. A relatively low voltage is applied. As used herein, the turn-on process of a semiconductor device means a process in which the semiconductor device transitions from an off state to an on state. The turn-off process of a semiconductor device means a process in which the semiconductor device transitions from an on state to an off state.

低電圧期間では、pベース領域10の部分12にチャネルが形成される。本明細書において、低電圧期間は、半導体装置のターンオン過程と、半導体装置のターンオフ過程と、半導体装置1がスイッチングオン状態にある期間とを含む。電子は、このチャネルとn+電荷蓄積層11とを経由して、第1の電極20からn-ドリフト領域5に注入される。この注入された電子により、nバッファ層24を介して、p+コレクタ層25とn-ドリフト領域5との間が順バイアスされる。正孔が、第2の電極30及びp+コレクタ層25からnバッファ層24を経由してn-ドリフト領域5に注入される。こうして、電子及び正孔がn-ドリフト領域5に高い密度で蓄積される。n-ドリフト領域5に伝導度変調が発生し、n-ドリフト領域5の抵抗が大幅に減少する。第1の電極20と第2の電極30との間の電圧は、相対的に低くなる。 During the low voltage period, channels are formed in portion 12 of the p-base region 10. In the present specification, the low voltage period includes a turn-on process of the semiconductor device, a turn-off process of the semiconductor device, and a period in which the semiconductor device 1 is in the switching-on state. Electrons are injected from the first electrode 20 into the n - drift region 5 via this channel and the n + charge storage layer 11. The injected electrons forward bias between the p + collector layer 25 and the n - drift region 5 via the n-buffer layer 24. Holes are injected from the second electrode 30 and the p + collector layer 25 into the n- drift region 5 via the n-buffer layer 24. In this way, electrons and holes are accumulated in the n- drift region 5 at a high density. the n - drift region 5 conductivity modulation occurs, n - resistance of the drift region 5 is greatly reduced. The voltage between the first electrode 20 and the second electrode 30 is relatively low.

これに対し、半導体装置(本実施の形態の半導体装置1、比較例の半導体装置)の通常のスイッチング動作では、半導体装置のターンオン過程の初期と半導体装置のターンオフ過程の後期とに、第1の電極20と第2の電極30との間に高い電圧が印加される。また、負荷短絡時にも、第1の電極20と第2の電極30との間に高い電圧が印加される。本明細書において、負荷短絡時は、半導体装置に接続されている負荷(モータなど)が短絡して、半導体装置に直接電源電圧が印加されている期間を意味する。 On the other hand, in the normal switching operation of the semiconductor device (semiconductor device 1 of the present embodiment, the semiconductor device of the comparative example), the first is in the early stage of the turn-on process of the semiconductor device and the latter half of the turn-off process of the semiconductor device. A high voltage is applied between the electrode 20 and the second electrode 30. Further, even when the load is short-circuited, a high voltage is applied between the first electrode 20 and the second electrode 30. In the present specification, when the load is short-circuited, it means a period during which the load (motor or the like) connected to the semiconductor device is short-circuited and the power supply voltage is directly applied to the semiconductor device.

そのため、高電圧期間において、比較例の半導体装置では、n-ドリフト領域5に高い密度で蓄積されていた正孔がn-ドリフト領域5から排出されて、n-ドリフト領域5における正孔の密度が大幅に減少する。本明細書において、高電圧期間は、半導体装置のターンオン過程の初期と、半導体装置のターンオフ過程の後期と、負荷短絡時とを含む。n-ドリフト領域5とp+コレクタ層25とによって形成されるpn接合部における裏面電界強度が増加する。なお、本実施の形態では、このpn接合部は、nバッファ層24を介して、n-ドリフト領域5とp+コレクタ層25とによって形成されている。比較例の半導体装置では、負荷短絡時を含む高電圧期間に、高い裏面電界がn-ドリフト領域5とp+コレクタ層25とによって形成されるpn接合部に印加され続ける。そのため、負荷短絡時を含む高電圧期間において、比較例の半導体装置が破壊されるまでの時間が短く、比較例の半導体装置の短絡耐量は低い。 Therefore, in the high voltage period, in a semiconductor device of the comparative example, n - holes stored at high have a density in the drift region 5 the n - are discharged from the drift region 5, n - the hole in the drift region 5 The density is greatly reduced. As used herein, the high voltage period includes the early stage of the turn-on process of the semiconductor device, the latter stage of the turn-off process of the semiconductor device, and the time of load short circuit. The backside electric field strength at the pn junction formed by the n - drift region 5 and the p + collector layer 25 increases. In this embodiment, the pn junction is formed by the n- drift region 5 and the p + collector layer 25 via the n-buffer layer 24. In the semiconductor device of the comparative example, a high backside electric field is continuously applied to the pn junction formed by the n- drift region 5 and the p + collector layer 25 during the high voltage period including the time of load short circuit. Therefore, in the high voltage period including the time of load short circuit, the time until the semiconductor device of the comparative example is destroyed is short, and the short circuit tolerance of the semiconductor device of the comparative example is low.

他方、本実施の形態の半導体装置1は、外周領域7にp+裏面外周層26を含む。そのため、負荷短絡時を含む高電圧期間において、正孔は、活性領域6における第2の電極30及びp+コレクタ層25からn-ドリフト領域5に注入されるだけなく、外周領域7における第2の電極30及びp+裏面外周層26からもn-ドリフト領域5に注入される。p+裏面外周層26における第1のp型キャリア濃度は、p+コレクタ層25における第2のp型キャリア濃度よりも大きいため、p+裏面外周層26からn-ドリフト領域5により多くの正孔が注入され得る。こうして、n-ドリフト領域5とp+コレクタ層25とによって形成されるpn接合部における裏面電界強度は減少する。本実施の形態の半導体装置1は、負荷短絡時を含む高電圧期間において、半導体装置1が破壊されるまでの時間をより長くすることができ、半導体装置1の短絡耐量を向上させることができる。 On the other hand, the semiconductor device 1 of the present embodiment includes the p + back surface outer peripheral layer 26 in the outer peripheral region 7. Therefore, in the high voltage period including the time of load short circuit, the holes are not only injected into the n- drift region 5 from the second electrode 30 and the p + collector layer 25 in the active region 6, but also the second holes in the outer peripheral region 7. It is also injected into the n- drift region 5 from the electrode 30 and the p + back surface outer peripheral layer 26 of the above. Since the first p-type carrier concentration in the p + back surface outer peripheral layer 26 is higher than the second p-type carrier concentration in the p + collector layer 25, more positives are obtained from the p + back surface outer peripheral layer 26 to the n - drift region 5. Holes can be injected. Thus, the backside electric field strength at the pn junction formed by the n- drift region 5 and the p + collector layer 25 is reduced. The semiconductor device 1 of the present embodiment can lengthen the time until the semiconductor device 1 is destroyed in a high voltage period including a load short circuit, and can improve the short circuit tolerance of the semiconductor device 1. ..

本実施の形態の半導体装置1の効果を説明する。
本実施の形態の半導体装置1は、半導体基板2を備える。半導体基板2は、半導体素子3が設けられた活性領域6と、活性領域6を取り囲む外周領域7とを含む。半導体基板2は、おもて面2aと裏面2bとを有している。半導体素子3は、n-ドリフト領域5と、pベース領域10と、n+型エミッタ領域14と、ゲート絶縁膜17と、ゲート電極18と、p+コレクタ層25とを含む。ゲート絶縁膜17は、n+型エミッタ領域14とn-ドリフト領域5との間のpベース領域10の部分12上に設けられている。ゲート電極18は、ゲート絶縁膜17を挟んでpベース領域10の部分12に対向している。p+コレクタ層25は、裏面2bに設けられている。外周領域7は、n-ドリフト領域5と、p+裏面外周層26とを含む。n-ドリフト領域5は、活性領域6から外周領域7に延在している。p+裏面外周層26は、n-ドリフト領域5の裏面2bの側に設けられている。p+裏面外周層26における第1の正孔濃度は、p+コレクタ層25における第2の正孔濃度よりも大きい。
The effect of the semiconductor device 1 of the present embodiment will be described.
The semiconductor device 1 of the present embodiment includes a semiconductor substrate 2. The semiconductor substrate 2 includes an active region 6 provided with a semiconductor element 3 and an outer peripheral region 7 surrounding the active region 6. The semiconductor substrate 2 has a front surface 2a and a back surface 2b. The semiconductor device 3 includes an n - drift region 5, a p-base region 10, an n + type emitter region 14, a gate insulating film 17, a gate electrode 18, and a p + collector layer 25. The gate insulating film 17 is provided on the portion 12 of the p-base region 10 between the n + type emitter region 14 and the n -drift region 5. The gate electrode 18 faces the portion 12 of the p-base region 10 with the gate insulating film 17 interposed therebetween. The p + collector layer 25 is provided on the back surface 2b. The outer peripheral region 7 includes an n - drift region 5 and a p + back surface outer peripheral layer 26. The n - drift region 5 extends from the active region 6 to the outer peripheral region 7. The p + back surface outer peripheral layer 26 is provided on the back surface 2b side of the n-drift region 5. The first hole concentration in the p + back surface outer layer 26 is higher than the second hole concentration in the p + collector layer 25.

負荷短絡時において、正孔は、p+コレクタ層25だけでなくp+裏面外周層26からも、n-ドリフト領域5に注入される。n-ドリフト領域5とp+コレクタ層25とによって形成されるpn接合部における裏面電界強度は減少する。本実施の形態の半導体装置1は、負荷短絡時において、半導体装置1が破壊されるまでの時間をより長くすることができ、半導体装置1の短絡耐量を向上させることができる。 At the time of load short circuit, holes are injected into the n- drift region 5 not only from the p + collector layer 25 but also from the p + back surface outer peripheral layer 26. The backside electric field strength at the pn junction formed by the n - drift region 5 and the p + collector layer 25 is reduced. In the semiconductor device 1 of the present embodiment, when the load is short-circuited, the time until the semiconductor device 1 is destroyed can be made longer, and the short-circuit tolerance of the semiconductor device 1 can be improved.

本実施の形態の半導体装置1では、p+裏面外周層26は、p+コレクタ層25に接している。そのため、負荷短絡時において、正孔は、p+コレクタ層25を経由して、p+裏面外周層26からn-ドリフト領域5に効率的に注入され得る。本実施の形態の半導体装置1は、半導体装置1の短絡耐量を向上させることができる。 In the semiconductor device 1 of the present embodiment, the p + back surface outer peripheral layer 26 is in contact with the p + collector layer 25. Therefore, at the time of load short circuit, holes can be efficiently injected into the n- drift region 5 from the p + back surface outer peripheral layer 26 via the p + collector layer 25. The semiconductor device 1 of the present embodiment can improve the short-circuit tolerance of the semiconductor device 1.

本実施の形態の半導体装置1では、半導体素子3及び外周領域7は、n-ドリフト領域5の裏面2bの側にnバッファ層24を含んでいる。nバッファ層24における第1の電子濃度は、n-ドリフト領域5における第2の電子濃度よりも大きい。活性領域6において、nバッファ層24は、n-ドリフト領域5とp+コレクタ層25とに接している。外周領域7において、p+裏面外周層26は、nバッファ層24の裏面2bの側に設けられている。nバッファ層24は、フィールドストップ層として機能する。nバッファ層24は、半導体装置1の耐圧を向上させる。 In the semiconductor device 1 of this embodiment, the semiconductor element 3 and the outer peripheral region 7, n - includes n buffer layer 24 on the side of the back surface 2b of the drift region 5. The first electron concentration in the n-buffer layer 24 is higher than the second electron concentration in the n-drift region 5. In the active region 6, the n-buffer layer 24 is in contact with the n - drift region 5 and the p + collector layer 25. In the outer peripheral region 7, the p + back surface outer peripheral layer 26 is provided on the back surface 2b side of the n buffer layer 24. The n-buffer layer 24 functions as a field stop layer. The n-buffer layer 24 improves the withstand voltage of the semiconductor device 1.

実施の形態2.
図6を参照して、実施の形態2に係る半導体装置1bを説明する。本実施の形態の半導体装置1bは、実施の形態1の半導体装置1と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で異なる。
Embodiment 2.
The semiconductor device 1b according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The semiconductor device 1b of the present embodiment has the same configuration as the semiconductor device 1 of the first embodiment and has the same effect, but is mainly different in the following points.

本実施の形態の半導体装置1bでは、p+裏面外周層26は、p+コレクタ層25より厚い。そのため、負荷短絡時を含む高電圧期間において、より多くの正孔がp+裏面外周層26からn-ドリフト領域5に注入される。n-ドリフト領域5とp+コレクタ層25とによって形成されるpn接合部における裏面電界強度はさらに減少する。本実施の形態の半導体装置1bは、負荷短絡時を含む高電圧期間において、半導体装置1bが破壊されるまでの時間をより長くすることができ、半導体装置1bの短絡耐量を向上させることができる。 In the semiconductor device 1b of the present embodiment, the p + back surface outer peripheral layer 26 is thicker than the p + collector layer 25. Therefore, more holes are injected from the p + back surface outer layer 26 into the n - drift region 5 during the high voltage period including the load short circuit. The backside electric field strength at the pn junction formed by the n - drift region 5 and the p + collector layer 25 is further reduced. The semiconductor device 1b of the present embodiment can lengthen the time until the semiconductor device 1b is destroyed in a high voltage period including a load short circuit, and can improve the short circuit tolerance of the semiconductor device 1b. ..

本実施の形態の半導体装置1bでは、活性領域6におけるn-ドリフト領域5の第1端41は、外周領域7におけるn-ドリフト領域5の第2端42より、裏面2b側に位置している。第1端41は、活性領域6におけるn-ドリフト領域5の裏面2bの近位端である。第2端42は、外周領域7におけるn-ドリフト領域5の裏面2bの近位端である。そのため、活性領域6におけるn-ドリフト領域5の厚さは増加する。半導体装置1bの耐圧が向上され得る。 In the semiconductor device 1b of the present embodiment, the first end 41 of the n- drift region 5 in the active region 6 is located on the back surface 2b side of the second end 42 of the n- drift region 5 in the outer peripheral region 7. .. The first end 41 is the proximal end of the back surface 2b of the n-drift region 5 in the active region 6. The second end 42 is the proximal end of the back surface 2b of the n- drift region 5 in the outer peripheral region 7. Therefore, the thickness of the n- drift region 5 in the active region 6 increases. The withstand voltage of the semiconductor device 1b can be improved.

実施の形態3.
図7を参照して、実施の形態3に係る半導体装置1cを説明する。本実施の形態の半導体装置1cは、実施の形態1の半導体装置1と同様の構成を備えるが、主に以下の点で異なる。
Embodiment 3.
The semiconductor device 1c according to the third embodiment will be described with reference to FIG. 7. The semiconductor device 1c of the present embodiment has the same configuration as the semiconductor device 1 of the first embodiment, but is mainly different in the following points.

本実施の形態の半導体装置1cでは、外周領域7は、p+裏面外周層26に接しているn裏面外周層27をさらに含む。n裏面外周層27は、p+裏面外周層26の裏面2bの側に設けられている。n裏面外周層27は、p+コレクタ層25に接している。n裏面外周層27は、第2の電極30に接している。n裏面外周層27は、半導体基板2の裏面2bに設けられている。n裏面外周層27は、p+裏面外周層26より薄い。p+裏面外周層26とn裏面外周層27とによって形成されるpn接合の耐圧が半導体素子3のオン電圧よりも大きくなるように、n裏面外周層27は構成されている。例えば、半導体基板2がSi基板であるとき、n裏面外周層27は、0.1μm以上の厚さdを有している。そのため、半導体素子3のオン状態において、p+裏面外周層26とn裏面外周層27とによって形成されるpn接合から電荷が注入されることが防止されて、半導体装置1cのスイッチング損失を減少させることができる。 In the semiconductor device 1c of the present embodiment, the outer peripheral region 7 further includes n back surface outer peripheral layer 27 in contact with p + back surface outer peripheral layer 26. n The back surface outer peripheral layer 27 is provided on the back surface 2b side of p + back surface outer peripheral layer 26. n The back surface outer peripheral layer 27 is in contact with the p + collector layer 25. n The back surface outer peripheral layer 27 is in contact with the second electrode 30. n The back surface outer peripheral layer 27 is provided on the back surface 2b of the semiconductor substrate 2. n The back surface outer layer 27 is thinner than p + back surface outer layer 26. The n back surface outer peripheral layer 27 is configured so that the withstand voltage of the pn junction formed by the p + back surface outer peripheral layer 26 and the n back surface outer peripheral layer 27 is larger than the on voltage of the semiconductor element 3. For example, when the semiconductor substrate 2 is a Si substrate, the n back surface outer peripheral layer 27 has a thickness d of 0.1 μm or more. Therefore, in the on state of the semiconductor element 3, it is prevented that electric charges are injected from the pn junction formed by the p + back surface outer peripheral layer 26 and the n back surface outer peripheral layer 27, and the switching loss of the semiconductor device 1c is reduced. be able to.

n裏面外周層27のn型キャリア濃度は、n-ドリフト領域5のn型キャリア濃度よりも大きい。n裏面外周層27のn型キャリア濃度は、nバッファ層24のn型キャリア濃度よりも大きい。n裏面外周層27は、例えば、1.0×1018cm-3以上のn型キャリア濃度を有している。このような電子濃度を有するn裏面外周層27は、負荷短絡時に、p+裏面外周層26とn裏面外周層27とによって形成されるpn接合がトンネル効果を発現しやすくし得る。 n-type carrier concentration of the n backside peripheral layer 27, n - larger than the n-type carrier concentration of the drift region 5. The n-type carrier concentration of the n-back surface outer peripheral layer 27 is higher than the n-type carrier concentration of the n-buffer layer 24. The n-back outer peripheral layer 27 has, for example, an n-type carrier concentration of 1.0 × 10 18 cm -3 or more. In the n back surface outer peripheral layer 27 having such an electron concentration, the pn junction formed by the p + back surface outer peripheral layer 26 and the n back surface outer peripheral layer 27 may easily exhibit the tunnel effect when the load is short-circuited.

図2から図5及び図8を参照して、本実施の形態の半導体装置1cの製造方法の一例を説明する。本実施の形態の半導体装置1cの製造方法は、実施の形態1の半導体装置1の製造方法と同様の工程を備えるが、主に以下の点で異なる。 An example of the manufacturing method of the semiconductor device 1c according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 5 and 8. The manufacturing method of the semiconductor device 1c of the present embodiment includes the same steps as the manufacturing method of the semiconductor device 1 of the first embodiment, but is mainly different in the following points.

図8に示されるように、本実施の形態の半導体装置1cの製造方法は、図2から図5に示される工程の後に、外周領域7の裏面2bに選択的にn型ドーパントをドープすることによって、半導体基板2の外周領域7の裏面2bにn裏面外周層27を形成することを備える。具体的には、半導体基板2の活性領域6の裏面2bにマスク36が形成される。イオン注入装置を用いて、リンのようなn型ドーパントが、外周領域7の裏面2bに選択的に注入される。n裏面外周層27は、p+裏面外周層26に接している。n裏面外周層27は、半導体基板2の裏面2bに形成されている。n裏面外周層27は、p+コレクタ層25に接している。n裏面外周層27に含まれるn型ドーパントを活性化するために、n裏面外周層27がアニールされる。 As shown in FIG. 8, in the method of manufacturing the semiconductor device 1c of the present embodiment, after the steps shown in FIGS. 2 to 5, the back surface 2b of the outer peripheral region 7 is selectively doped with an n-type dopant. The back surface 2b of the outer peripheral region 7 of the semiconductor substrate 2 is provided with the n back surface outer peripheral layer 27. Specifically, the mask 36 is formed on the back surface 2b of the active region 6 of the semiconductor substrate 2. Using an ion implanter, an n-type dopant such as phosphorus is selectively implanted into the back surface 2b of the outer peripheral region 7. n The back surface outer peripheral layer 27 is in contact with p + back surface outer peripheral layer 26. n The back surface outer peripheral layer 27 is formed on the back surface 2b of the semiconductor substrate 2. n The back surface outer peripheral layer 27 is in contact with the p + collector layer 25. The n-back surface outer layer 27 is annealed in order to activate the n-type dopant contained in the n-back surface outer layer 27.

本実施の形態の半導体装置1cの製造方法は、p+コレクタ層25とn裏面外周層27との上に第2の電極30を形成することを備える。活性領域6において、第2の電極30は、p+コレクタ層25に接している。外周領域7において、第2の電極30は、n裏面外周層27に接している。第2の電極30をp+コレクタ層25とn裏面外周層27とにオーミック接触させるために、第2の電極30とp+コレクタ層25とn裏面外周層27とはアニールされる。こうして、図7に示される半導体装置1cが得られる。 The method for manufacturing the semiconductor device 1c according to the present embodiment includes forming a second electrode 30 on the p + collector layer 25 and the n back surface outer peripheral layer 27. In the active region 6, the second electrode 30 is in contact with the p + collector layer 25. In the outer peripheral region 7, the second electrode 30 is in contact with the n back surface outer peripheral layer 27. In order to make the second electrode 30 ohmic contact with the p + collector layer 25 and the n back surface outer peripheral layer 27, the second electrode 30, the p + collector layer 25 and the n back surface outer peripheral layer 27 are annealed. In this way, the semiconductor device 1c shown in FIG. 7 is obtained.

本実施の形態の半導体装置1cの動作及び作用を説明する。
+裏面外周層26とn裏面外周層27とによって、pn接合が形成されている。低電圧期間では、第1の電極20と第2の電極30との間に相対的に小さなオン電圧が印加されるため、p+裏面外周層26とn裏面外周層27とによって形成されるpn接合に印加される逆バイアス電圧の絶対値は小さい。正孔は、このpn接合を通り抜けることができない。低電圧期間において、このpn接合は、第2の電極30の外周部分30p及びp+裏面外周層26からn-ドリフト領域5に正孔が注入されることを阻止し、n-ドリフト領域5における正孔の濃度の増加を抑制することができる。半導体装置1cのターンオフ過程においてn-ドリフト領域5に蓄積されていた正孔は、より短時間でn-ドリフト領域5から排出される。ターンオフ過程において、半導体装置1cの電力損失が減少し得る。
The operation and operation of the semiconductor device 1c according to this embodiment will be described.
A pn junction is formed by the p + back surface outer peripheral layer 26 and the n back surface outer peripheral layer 27. In the low voltage period, a relatively small on-voltage is applied between the first electrode 20 and the second electrode 30, so that the pn formed by the p + back surface outer peripheral layer 26 and n back surface outer peripheral layer 27 is formed. The absolute value of the reverse bias voltage applied to the junction is small. Holes cannot pass through this pn junction. In the low voltage period, this pn junction prevents holes from being injected into the n- drift region 5 from the outer peripheral portion 30p of the second electrode 30 and the p + back surface outer peripheral layer 26 , and in the n- drift region 5. It is possible to suppress an increase in the concentration of holes. The holes accumulated in the n- drift region 5 in the turn-off process of the semiconductor device 1c are discharged from the n- drift region 5 in a shorter time. In the turn-off process, the power loss of the semiconductor device 1c can be reduced.

これに対し、高電圧期間では、第1の電極20と第2の電極30との間に大きな電源電圧が印加されるため、p+裏面外周層26とn裏面外周層27とによって形成されるpn接合に印加される逆バイアス電圧の絶対値は大きい。p+裏面外周層26とn裏面外周層27とによって形成されるpn接合にアバランシェ降伏現象が発生することにより、正孔はこのpn接合を通り抜けることができる。あるいは、p+裏面外周層26とn裏面外周層27とによって形成されるpn接合のトンネル効果により、正孔はこのpn接合を通り抜けることができる。正孔は、外周領域7にある第2の電極30の外周部分30p及びp+裏面外周層26からn-ドリフト領域5に注入される。高電圧期間では、n-ドリフト領域5とp+コレクタ層25とによって形成されるpn接合部における裏面電界強度は減少し得る。本実施の形態の半導体装置1cは、負荷短絡時を含む高電圧期間において半導体装置1cが破壊されるまでの時間をより長くすることができ、半導体装置1cの短絡耐量を向上させることができる。 On the other hand, in the high voltage period, since a large power supply voltage is applied between the first electrode 20 and the second electrode 30, it is formed by the p + back surface outer peripheral layer 26 and the n back surface outer peripheral layer 27. The absolute value of the reverse bias voltage applied to the pn junction is large. Holes can pass through this pn junction due to the avalanche breakdown phenomenon occurring in the pn junction formed by the p + back surface outer peripheral layer 26 and the n back surface outer peripheral layer 27. Alternatively, holes can pass through this pn junction due to the tunneling effect of the pn junction formed by the p + back surface outer layer 26 and the n back surface outer layer 27. Holes are injected into the n- drift region 5 from the outer peripheral portion 30p and p + back surface outer peripheral layer 26 of the second electrode 30 in the outer peripheral region 7. During the high voltage period, the backside electric field strength at the pn junction formed by the n- drift region 5 and the p + collector layer 25 can be reduced. The semiconductor device 1c of the present embodiment can lengthen the time until the semiconductor device 1c is destroyed in a high voltage period including a load short circuit, and can improve the short circuit tolerance of the semiconductor device 1c.

本実施の形態の半導体装置1cの効果を説明する。本実施の形態の半導体装置1cは、実施の形態1の半導体装置1の効果に加えて、以下の効果を奏する。 The effect of the semiconductor device 1c according to this embodiment will be described. The semiconductor device 1c of the present embodiment has the following effects in addition to the effects of the semiconductor device 1 of the first embodiment.

本実施の形態の半導体装置1cでは、外周領域7は、p+裏面外周層26に接しているn裏面外周層27をさらに含む。n裏面外周層27は、p+裏面外周層26の裏面2bの側に設けられている。本実施の形態の半導体装置1cによれば、半導体装置1cのターンオフ過程の際に発生する半導体装置1cの電力損失を減少させながら、半導体装置1cの短絡耐量を向上させることができる。 In the semiconductor device 1c of the present embodiment, the outer peripheral region 7 further includes n back surface outer peripheral layer 27 in contact with p + back surface outer peripheral layer 26. n The back surface outer peripheral layer 27 is provided on the back surface 2b side of p + back surface outer peripheral layer 26. According to the semiconductor device 1c of the present embodiment, it is possible to improve the short-circuit tolerance of the semiconductor device 1c while reducing the power loss of the semiconductor device 1c generated during the turn-off process of the semiconductor device 1c.

本実施の形態の半導体装置1cでは、n裏面外周層27は、p+裏面外周層26より薄い。そのため、負荷短絡時においてp+裏面外周層26からn-ドリフト領域5に注入される正孔の量が減少することが抑制される。半導体装置1cの短絡耐量を向上させることができる。 In the semiconductor device 1c of the present embodiment, the n back surface outer peripheral layer 27 is thinner than the p + back surface outer peripheral layer 26. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the amount of holes injected into the n- drift region 5 from the p + back surface outer peripheral layer 26 when the load is short-circuited. The short circuit tolerance of the semiconductor device 1c can be improved.

実施の形態4.
図9を参照して、実施の形態4に係る半導体装置1dを説明する。本実施の形態の半導体装置1dは、実施の形態3の半導体装置1cと同様の構成を備えるが、主に以下の点で異なる。
Embodiment 4.
The semiconductor device 1d according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. The semiconductor device 1d of the present embodiment has the same configuration as the semiconductor device 1c of the third embodiment, but is mainly different in the following points.

本実施の形態の半導体装置1dでは、n裏面外周層27は、p+裏面外周層26とp+コレクタ層25との間に設けられている。n裏面外周層27は、nバッファ層24と接している。n裏面外周層27はp+コレクタ層25と接している。n裏面外周層27は、第2の電極30と接している。一例では、n裏面外周層27は、p+裏面外周層26と同じ厚さを有している。別の例では、n裏面外周層27は、p+裏面外周層26より薄い。n裏面外周層27の幅wは、p+裏面外周層26の幅より小さい。n裏面外周層27は、例えば、0.1μm以上の幅wを有している。n裏面外周層27のn型キャリア濃度は、n-ドリフト領域5のn型キャリア濃度よりも大きい。n裏面外周層27のn型キャリア濃度は、nバッファ層24のn型キャリア濃度よりも大きい。 In the semiconductor device 1d of the present embodiment, the n back surface outer peripheral layer 27 is provided between the p + back surface outer peripheral layer 26 and the p + collector layer 25. The n back surface outer peripheral layer 27 is in contact with the n buffer layer 24. n The back surface outer peripheral layer 27 is in contact with p + collector layer 25. n The back surface outer peripheral layer 27 is in contact with the second electrode 30. In one example, the n back surface outer peripheral layer 27 has the same thickness as p + back surface outer peripheral layer 26. In another example, the n back surface outer layer 27 is thinner than p + back surface outer layer 26. n The width w of the back surface outer peripheral layer 27 is smaller than the width of p + the back surface outer peripheral layer 26. n The back surface outer peripheral layer 27 has a width w of, for example, 0.1 μm or more. n-type carrier concentration of the n backside peripheral layer 27, n - larger than the n-type carrier concentration of the drift region 5. The n-type carrier concentration of the n-back surface outer peripheral layer 27 is higher than the n-type carrier concentration of the n-buffer layer 24.

本実施の形態の半導体装置1dは、以下のように、実施の形態3の半導体装置1cと同様の作用及び効果を奏する。 The semiconductor device 1d of the present embodiment has the same operation and effect as the semiconductor device 1c of the third embodiment as follows.

本実施の形態のn裏面外周層27は、実施の形態3のn裏面外周層27と同様の作用を奏する。具体的には、p+裏面外周層26とn裏面外周層27とによって、pn接合が形成されている。低電圧期間では、外周領域7にある第2の電極30の外周部分30pから注入された正孔は、このpn接合を通り抜けることができない。低電圧期間において、このpn接合は、第2の電極30の外周部分30p及びp+裏面外周層26からn-ドリフト領域5に正孔が注入されることを阻止し、n-ドリフト領域5における正孔の濃度の増加を抑制することができる。半導体装置1dのターンオフ過程においてn-ドリフト領域5に蓄積されていた正孔は、より短時間でn-ドリフト領域5から排出される。ターンオフ過程において、半導体装置1dの電力損失は減少し得る。 The n back surface outer peripheral layer 27 of the present embodiment has the same function as the n back surface outer peripheral layer 27 of the third embodiment. Specifically, a pn junction is formed by the p + back surface outer peripheral layer 26 and the n back surface outer peripheral layer 27. During the low voltage period, the holes injected from the outer peripheral portion 30p of the second electrode 30 in the outer peripheral region 7 cannot pass through this pn junction. In the low voltage period, this pn junction prevents holes from being injected into the n- drift region 5 from the outer peripheral portion 30p of the second electrode 30 and the p + back surface outer peripheral layer 26 , and in the n- drift region 5. It is possible to suppress an increase in the concentration of holes. The holes accumulated in the n- drift region 5 in the turn-off process of the semiconductor device 1d are discharged from the n- drift region 5 in a shorter time. In the turn-off process, the power loss of the semiconductor device 1d can be reduced.

これに対し、高電圧期間では、第1の電極20と第2の電極30との間に大きな電源電圧が印加されるため、p+裏面外周層26とn裏面外周層27とによって形成されるpn接合に印加される逆バイアス電圧の絶対値は大きい。外周領域7にある第2の電極30の外周部分30pから注入された正孔は、このpn接合のビルトインポテンシャルを超えて、n-ドリフト領域5に注入される。高電圧期間では、n-ドリフト領域5とp+コレクタ層25とによって形成されるpn接合部における裏面電界強度は減少し得る。本実施の形態の半導体装置1dは、負荷短絡時を含む高電圧期間において半導体装置1dが破壊されるまでの時間をより長くすることができ、半導体装置1dの短絡耐量を向上させることができる。 On the other hand, in the high voltage period, since a large power supply voltage is applied between the first electrode 20 and the second electrode 30, it is formed by the p + back surface outer peripheral layer 26 and the n back surface outer peripheral layer 27. The absolute value of the reverse bias voltage applied to the pn junction is large. The holes injected from the outer peripheral portion 30p of the second electrode 30 in the outer peripheral region 7 exceed the built-in potential of this pn junction and are injected into the n-drift region 5. During the high voltage period, the backside electric field strength at the pn junction formed by the n- drift region 5 and the p + collector layer 25 can be reduced. The semiconductor device 1d of the present embodiment can lengthen the time until the semiconductor device 1d is destroyed in a high voltage period including a load short circuit, and can improve the short circuit tolerance of the semiconductor device 1d.

今回開示された実施の形態1−4はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態1−4の少なくとも2つを組み合わせてもよい。本発明の範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。 It should be considered that the embodiments 1-4 disclosed this time are exemplary in all respects and are not restrictive. As long as there is no contradiction, at least two of Embodiments 1-4 disclosed this time may be combined. The scope of the present invention is shown by the scope of claims rather than the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

1,1b,1c,1d 半導体装置、2 半導体基板、2a おもて面、2b 裏面、3 半導体素子、5 n-ドリフト領域、6 活性領域、7 外周領域、10 pベース領域、11 n+電荷蓄積層、12 部分、14 n+型エミッタ領域、15 p+コンタクト層、16 トレンチ、17 ゲート絶縁膜、18 ゲート電極、19 層間絶縁膜、20 第1の電極、21 電界制限リング構造、24 nバッファ層、25 p+コレクタ層、26 p+裏面外周層、27 n裏面外周層、30 第2の電極、30p 外周部分、35,36 マスク、41 第1端、42 第2端。 1,1b, 1c, 1d semiconductor device, 2 semiconductor substrate, 2a front surface, 2b back surface, 3 semiconductor element, 5 n - drift region, 6 active region, 7 outer peripheral region, 10 p base region, 11 n + charge Storage layer, 12 parts, 14 n + type emitter region, 15 p + contact layer, 16 trench, 17 gate insulating film, 18 gate electrode, 19 interlayer insulating film, 20 first electrode, 21 electric field limiting ring structure, 24 n Buffer layer, 25 p + collector layer, 26 p + back surface outer peripheral layer, 27 n back surface outer peripheral layer, 30 second electrode, 30 p outer peripheral portion, 35, 36 mask, 41 first end, 42 second end.

Claims (8)

半導体素子が設けられた活性領域と、前記活性領域を取り囲む外周領域とを含む半導体基板を備え、前記半導体基板は、おもて面と裏面とを有し、
前記半導体素子は、n - ドリフト領域と、pベース領域と、n + 型エミッタ領域と、前記n + 型エミッタ領域と前記n - ドリフト領域との間の前記pベース領域の部分上に設けられているゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記pベース領域の前記部分に対向するゲート電極と、前記裏面に設けられているp + コレクタ層とを含み、
前記外周領域は、前記n - ドリフト領域と、p + 裏面外周層とを含み、前記n - ドリフト領域は、前記活性領域から前記外周領域に延在しており、前記p + 裏面外周層は、前記n - ドリフト領域の前記裏面の側に設けられており、
前記p + 裏面外周層における第1の正孔濃度は、前記p + コレクタ層における第2の正孔濃度よりも大きく、
前記p+裏面外周層は、前記p+コレクタ層より厚い、半導体装置。
A semiconductor substrate including an active region provided with a semiconductor element and an outer peripheral region surrounding the active region is provided, and the semiconductor substrate has a front surface and a back surface.
The semiconductor device is provided on a portion of the p-base region between the n- drift region, the p-base region, the n + -type emitter region, and the n + -type emitter region and the n -drift region. The gate insulating film includes a gate electrode facing the portion of the p-base region with the gate insulating film interposed therebetween, and a p + collector layer provided on the back surface thereof.
The outer peripheral region includes the n - drift region and the p + back surface outer peripheral layer, the n - drift region extends from the active region to the outer peripheral region, and the p + back surface outer peripheral layer includes the p + back surface outer peripheral layer. It is provided on the back surface side of the n -drift region, and is provided.
The first hole concentration in the p + back surface peripheral layer is higher than the second hole concentration in the p + collector layer.
The p + back surface outer peripheral layer is thicker than the p + collector layer, a semi-conductor device.
前記活性領域における前記n-ドリフト領域の第1端は、前記外周領域における前記n-ドリフト領域の第2端より、前記裏面側に位置しており、
前記第1端は、前記活性領域における前記n-ドリフト領域の前記裏面の近位端であり、
前記第2端は、前記外周領域における前記n-ドリフト領域の前記裏面の近位端である、請求項1に記載の半導体装置。
The first end of the n- drift region in the active region is located on the back surface side of the second end of the n-drift region in the outer peripheral region.
The first end is the proximal end of the back surface of the n-drift region in the active region.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second end is a proximal end of the back surface of the n- drift region in the outer peripheral region.
半導体素子が設けられた活性領域と、前記活性領域を取り囲む外周領域とを含む半導体基板を備え、前記半導体基板は、おもて面と裏面とを有し、
前記半導体素子は、n - ドリフト領域と、pベース領域と、n + 型エミッタ領域と、前記n + 型エミッタ領域と前記n - ドリフト領域との間の前記pベース領域の部分上に設けられているゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記pベース領域の前記部分に対向するゲート電極と、前記裏面に設けられているp + コレクタ層とを含み、
前記外周領域は、前記n - ドリフト領域と、p + 裏面外周層とを含み、前記n - ドリフト領域は、前記活性領域から前記外周領域に延在しており、前記p + 裏面外周層は、前記n - ドリフト領域の前記裏面の側に設けられており、
前記p + 裏面外周層における第1の正孔濃度は、前記p + コレクタ層における第2の正孔濃度よりも大きく、
前記外周領域は、前記p+裏面外周層に接しているn裏面外周層をさらに含み、
前記n裏面外周層は、前記p+裏面外周層の前記裏面の側に設けられており
前記p + 裏面外周層及び前記n裏面外周層は、各々、前記p + コレクタ層に接している、半導体装置。
A semiconductor substrate including an active region provided with a semiconductor element and an outer peripheral region surrounding the active region is provided, and the semiconductor substrate has a front surface and a back surface.
The semiconductor device is provided on a portion of the p-base region between the n- drift region, the p-base region, the n + -type emitter region, and the n + -type emitter region and the n -drift region. The gate insulating film includes a gate electrode facing the portion of the p-base region with the gate insulating film interposed therebetween, and a p + collector layer provided on the back surface thereof.
The outer peripheral region includes the n - drift region and the p + back surface outer peripheral layer, the n - drift region extends from the active region to the outer peripheral region, and the p + back surface outer peripheral layer includes the p + back surface outer peripheral layer. It is provided on the back surface side of the n -drift region, and is provided.
The first hole concentration in the p + back surface peripheral layer is higher than the second hole concentration in the p + collector layer.
The outer peripheral region further includes n back surface outer peripheral layer in contact with the p + back surface outer peripheral layer.
Wherein n backside peripheral layer is provided on the side of the back surface of the p + back surface peripheral layer,
A semiconductor device in which the p + back surface outer peripheral layer and the n back surface outer peripheral layer are in contact with the p + collector layer , respectively.
前記n裏面外周層は、前記p+裏面外周層より薄い、請求項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3 , wherein the n back surface outer peripheral layer is thinner than the p + back surface outer peripheral layer. 前記p+裏面外周層は、前記p+コレクタ層に接している、請求項1または請求項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2 , wherein the p + back surface outer peripheral layer is in contact with the p + collector layer. 前記外周領域は、前記p+裏面外周層に接しているn裏面外周層をさらに含み、
前記n裏面外周層は、前記p+裏面外周層と前記p+コレクタ層との間に設けられている、請求項1または請求項に記載の半導体装置。
The outer peripheral region further includes n back surface outer peripheral layer in contact with the p + back surface outer peripheral layer.
The semiconductor device according to claim 1 or 2 , wherein the n back surface outer peripheral layer is provided between the p + back surface outer peripheral layer and the p + collector layer.
前記半導体素子及び前記外周領域は、前記n-ドリフト領域の前記裏面の側にnバッファ層を含み、
前記nバッファ層における第1の電子濃度は、前記n-ドリフト領域における第2の電子濃度よりも大きく、
前記活性領域において、前記nバッファ層は、前記n-ドリフト領域と前記p+コレクタ層とに接し、
前記外周領域において、前記p+裏面外周層は、前記nバッファ層の前記裏面の側に設けられている、請求項1から請求項のいずれか1項に記載の半導体装置。
The semiconductor element and the outer peripheral region, the n - comprises n buffer layer on the side of the back surface of the drift region,
The first electron concentration in the n-buffer layer is higher than the second electron concentration in the n-drift region.
In the active region, the n-buffer layer is in contact with the n - drift region and the p + collector layer.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6 , wherein in the outer peripheral region, the p + back surface outer peripheral layer is provided on the back surface side of the n buffer layer.
前記外周領域は、前記おもて面に、電界制限リング構造を含む、請求項1から請求項のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 , wherein the outer peripheral region includes an electric field limiting ring structure on the front surface.
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